Metal oxide nanoparticles (MONPs) are increasingly being incorporated in domestic and industrial products. They are expected to pass into waste water treatment facilities, and may inadvertently be applied in biosolids to agricultural soils. Very few nanotoxicity studies have been conducted in soils and the risk that MONPs pose to soil organisms are poorly understood. The aim of this study was to investigate the behaviour and effects of two MONPs with different solubilities on terrestrial organisms in soils. Exposure of earthworms to soils amended with up to 10,000 mg/kg nano-sized TiO2, a virtually insoluble nanomaterial, resulted in no adverse effects on earthworm population parameters such as survival or reproduction. Earthworms avoided nano-TiO2 amended soils, but only at nanoparticle concentrations higher than those expected for agricultural soils. The mechanisms resulting in the avoidance response, and nano-TiO2 transformations in soils, could not be further investigated because techniques to track nanoparticles in complex media are lacking. Subsequent studies focused on a sparingly soluble nanomaterial, nano-CuO, which releases Cu2+ ions as it dissolves. To identify nanoparticle-specific effects on organisms, the effects of the Cu2+ ions must be determined but little is known about the effect of nano-CuO on Cu2+ activity in soils. Tests revealed that Cu2+ activity in nano-CuO amended soils increased over a 56 d period, but were not comparable to those in soils amended with similar concentrations of micrometer-sized CuO or Cu(NO3)2, which are commonly used as treatments to control for the effects non-nanosized Cu in nanotoxicity tests. These results have implications for the design of experiments that test effects of dissolving particulates. A subsequent barley growth test demonstrated that there was no significant difference in plant growth or shoot Cu concentrations between soils amended with nano-CuO, micrometer-sized CuO or Cu(NO3)2 once growth was normalised to Cu2+ activity. These results demonstrate that release of metal ions can play an important role in toxicity of soluble metal-based nanoparticles and highlight the importance of direct measurement of potentially toxic products of nanoparticle dissolution. There was no evidence of nanoparticle-specific toxicity under the conditions studied either for earthworms exposed to nano-TiO2 or barley exposed to nano-CuO. The study highlighted some of the challenges of understanding the fate and effects of nanomaterials in soils, including the lack of techniques to track nanomaterials in complex media and the difficulty in designing toxicity tests that control for temporal changes to both nanoparticles and soils. / Les nanoparticules des oxydes de métaux (MONP) sont davantage incorporés dans les produits domestiques et industriels. Une importante proportion de ces nanoparticules est susceptible de se retrouver dans les usines de traitement d'eaux usées et d'être épandue sur les terres agricoles sous forme de biosolides. Dû au fait que peu de recherches sur la nanotoxicité ont été faites dans les sols, le risque que pose ces MONP aux organismes du sols est peu connu. Le but de cette étude est donc d'observer la réaction et les effets de deux MONP de solubilité différente dans des sols agricoles et artificiels. L'exposition des vers de terre dans des sols amendés avec jusqu'à 10,000 mg par kg de sol de nano-TiO2, un nanomatériel pratiquement insoluble, n'a causé aucun effet sur leur survie ou leur reproduction. Les vers de terre n'ont évité les sols modifiés de nano-TiO2, qu'à des concentrations de nanoparticules beaucoup plus élevées que celles attendues dans les sols agricoles. Les mécanismes impliqués dans la réponse d'évitement et les transformations de nanoTiO2 dans les sols n'ont pu être étudiés plus à fond par manque de techniques développées pour suivre les nanoparticules dans les médias complexes. Dans les recherches subséquentes, un nanomatériel de très faible solubilité, le nano-CuO, qui relâche des ions Cu2+ au fur et à mesure qu'il se dissout, a été choisi comme matériel d'intérêt. Afin d'identifier les effets spécifiques des nanoparticules sur des organismes, les effets du Cu2+ doivent être déterminés. Cependant, peu est connu sur l'activité du Cu2+ dans les sols traités avec des nano-CuO. Les recherches ont démontré que l'activité de Cu2+ a augmenté durant une période de 56 jours pour les sols amendés de nanoparticules de CuO mais cette augmentation ne s'est pas produite, à des concentrations égales, pour des sols enrichis de CuO de diamètre micrométrique ou même de sels de Cu(NO3)2 ; ces deux derniers traitements sont souvent utilisés comme tests contrôles lors d'études de nanotoxicité. Ces résultats ont des implications pour la conception des expériences pour évaluer les effets sur la dissolution des particules. Une étude ultérieure sur la croissance d'orge a démontré qu'il n'y avait aucune différence significative dans la croissance des plantes ou des concentrations de Cu dans les feuilles entre les sols modifiés avec du nano-CuO, CuO de taille micrométrique ou le Cu(NO3)2 une fois que les données furent normalisées en activité de Cu2+. Ces résultats ont démontré que la dissolution d'ions de métaux peut jouer un rôle important sur la toxicité des nanoparticules. Ils soulignent aussi l'importance de mesurer directement la concentration de produits de la dissolution de nanoparticules. Il n'y avait aucune évidence de toxicité spécifique aux nanoparticules sous les conditions étudiées pour les vers de terre soumis au nano-TiO2 ou pour l'orge soumis au nano-CuO. Cette étude a révélé certaines lacunes de compréhension dans le comportement du nanomatériel ajouté aux sols, des difficultés de tenir compte des changements temporels des nanoparticules et des sols ainsi que le manque de techniques disponibles pour suivre les nanoparticules dans les médias complexes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.117105 |
| Date | January 2013 |
| Creators | McShane, Heather |
| Contributors | Geoffrey I Sunahara (Supervisor2), William H Hendershot (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Natural Resource Sciences) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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